伺服試驗機的研制

本文作者研制一種伺服試驗機，適合用于模擬分析不同工況條件下以及整個壽命周期內軸承內部的動態摩擦力矩，可以真實反映微型軸承在運轉過程中的動態摩擦力矩。

1 測試原理

測量軸承摩擦力矩的方法常見的有傳遞法、平衡力矩法和能量轉換法[5]。文中測量裝置采用平衡力矩法，即通過測量軸承大小相等、方向相反的平衡力矩(F1×L)，通過其變化反映被測軸承實際摩擦力矩(MD)的變化。圖1為平衡力矩法示意圖。

(1)F1為施加在軸承外圈的平衡力；L為軸承半徑；MD為軸承動態摩擦力矩。

對于內圈旋轉、外圈固定條件下的滾動軸承，當軸承內圈轉動時，由于軸承內部球滾動體與內、外圈滾道之間的摩擦作用，外圈有向與內圈相同方向旋轉的趨勢。根據這一物理現象，利用精密天平測試技術所擬定的軸承動態摩擦力矩試驗測試原理如圖2所示。

用柔繩連接的2個砝碼(即砝碼1、2，其質量分別為m1、m2，且m1>m2)套在固定軸承外圈的軸承室上，其中砝碼2懸空，從而可以給被試軸承施加徑向載荷，砝碼1放置在一電子天平的稱量托盤上。當軸承內圈順時針方向旋轉時，軸承內部將產生動態摩擦力矩，由于軸承外圈與軸承室的緊密接觸，所以其動態摩擦力矩將傳遞到軸承室上。此時軸承室處于力矩平衡狀態。

(2)F1為左側柔繩拉力；F2為右側柔繩拉力；L為軸承室半徑；MD為軸承動態摩擦力矩。

當被試軸承靜止時n=0，此時

(3)F1為靜止時左側柔繩拉力；F2為靜止時右側柔繩拉力。

當被試軸承如圖示方向旋轉時，n≠0，由于動態摩擦力矩影響，右側柔繩拉力不變，左側柔繩拉力較靜止時增加了ΔF1。

因此只要測得因軸承內部摩擦力矩所引起的左側柔繩拉力的增加值ΔF1與軸承室半徑L，即可得到被測軸承的摩擦力矩MD。而左側柔繩拉力的增加值ΔF1，可由被試軸承靜止與運動后電子天平示數的變化值表示。將電子天平示數值通過串口通信傳輸至計算機，進行數據處理后得出微型軸承動態摩擦力矩測量結果，以及動態摩擦力矩變化曲線。

2 伺服試驗機研制

2.1 伺服試驗機功能

該伺服試驗機主要針對高速、輕載的微型軸承，模擬被試軸承在不同溫度、不同徑向和軸向載荷及不同轉速工況下動態摩擦力矩的變化規律，從而獲得該軸承的摩擦特性。具體功能要求如下：

(1)可調參數：運轉速度(1 000～50 000 r/min范圍內轉速無極可調)、徑向載荷及軸向載荷；

(2)監測參數：實時運轉速度、動態摩擦力矩數據；

(3)試驗數據能夠實時顯示并保存，記錄數據的時間間隔可調；

(4)可長期測量微型軸承的動態摩擦力矩，如軸承的整個壽命周期。

2.2 伺服試驗機結構

伺服試驗機的機械結構如圖3所示，主要分為驅動部分、測量部分和支架部分，其主要部件的規格見表1。

驅動部分由靜壓空氣電主軸驅動，靜壓空氣電主軸通過端部夾頭與芯軸連接，帶動芯軸旋轉。測量部分由柔繩、徑向加載砝碼、測量砝碼、電子天平組成，微型軸承通過芯軸安裝在驅動電主軸上。支架部分由底座和支撐座組成，將驅動空氣電主軸固定于支撐座中。

測量時，如圖3、4所示，通過一根柔繩兩端連接的徑向加載砝碼和測量砝碼懸掛于被試軸承外部軸承室外圓表面的狹小V形環槽內，并用一螺釘進行固定，測量砝碼放置于所述電子天平托盤的中心位置。

通過驅動電主軸帶動輸出端安裝被試軸承的芯軸及被試軸承內圈等高速旋轉，而軸承外圈和軸承室則由于柔繩與軸承室之間的摩擦力以及固定螺釘作用，僅產生順時針旋轉趨勢和提起測量砝碼的趨勢，但由于測量砝碼的重量足夠大，因此實際中并不會發生運動，從而導致電子天平上重量示數值會發生減小。通過設定或改變驅動電主軸的變頻器，從而可以設定或改變電主軸的轉速，通過改變徑向加載砝碼的大小，從而可以實現軸承徑向載荷的調節，而軸承的軸向預載荷則需要在安裝之前進行調定。

2.3 微型軸承軸向加載

如圖4所示，對于角接觸球軸承，兩被試軸承需要背對背安裝，2個被試軸承之間設置有外隔圈、內隔圈和波形彈性圈等，外部設置有被試軸承室(質量為m3)，利用外隔圈、內隔圈和波形彈性圈的寬度差致使波形彈性圈產生一定的壓縮量，從而對被試軸承施加軸向載荷。

3 數據采集系統設計

3.1 硬件配置

文中所使用的上位機為安裝Windows10 操作系統和軟件Labview的計算機。該計算機與下位機電子天平Precisa(型號為XB320M，見圖5) 。同樣帶有RS232串口，通過RS232通信電纜來實現數據的雙向傳輸。通信電纜采用Z-TEK屏蔽雙絞線，適用于RS232 通信協議，實現計算機與電子天平的通信[7]。

3.2 軟件配置

通過Labview圖形化語言編制微型軸承摩擦力矩采集程序，如圖6所示，控制發送命令對信號進行讀取、存儲、顯示。

采集程序共分4個模塊，分別是參數設置模塊、轉速采集與控制模塊、摩擦力矩采集模塊、信息存儲模塊。

參數設置模塊：實現串口選擇、通信協議設置、采集頻率設置、報警條件設置。

轉速采集與控制模塊：實現被試軸承實時轉速的采集與轉速的控制。

摩擦力矩采集模塊：實現動態摩擦力矩的實時采集以及變化趨勢的呈現。

信息存儲模塊：實現實時轉速、摩擦力矩的信息存儲，方便對其進行數據的提取與處理。

Precisa電子天平通過RS232 串口連接計算機， RS232 連接線長度應在15 m內，否則信息傳輸不準確，影響信息正常交換。協議主要參數設置為:9600波特傳輸速度；奇偶校驗設置為奇：1個停止位；信息以ASCII 字符形式傳輸。硬件信號交換采用3線的接口，軟件信號交換采用XON 和XOFF[8]。串口通信應用面廣，無論是計算機之間，還是計算機與其他設備間通信，都能較好地實現工業控制。

4 伺服試驗機性能測試

4.1 被試軸承參數

為驗證伺服試驗機性能，以某公司生產的微型球軸承為被試軸承，該微型球軸承引導方式為內圈引導，具體參數如表2所示；采用特4#精密儀表油，測試前將1～2滴潤滑油滴入被測軸承的溝道[9]，環境溫度為20 ℃。

4.2 試驗結果及分析

微型球軸承摩擦力矩測試系統如圖8所示。試驗中對一對軸承施加軸向載荷7 N，徑向載荷1.56 N(其中被試軸承室施加0.16 N，徑向加載砝碼施加1.4 N)。為了驗證伺服試驗機性能，在電機轉速為6 000～15 000 r/min時進行了4次試驗[10-11]，試驗結果如圖9所示。

在6 000～15 000 r/min轉速下軸承動態摩擦力矩變化趨勢平穩；摩擦力矩隨著轉速的升高而增加；在穩定轉速下摩擦力矩有先下降然后趨于平穩的趨勢，這是由于軸承內部溫度升高影響內部潤滑油黏度從而影響摩擦力矩變化趨勢。

5 結論

(1) 根據平衡力矩法測試原理研制一種伺服試驗機，其采用高精度電子天平和高速電主軸等技術，可以模擬軸承的實際工況，測試精度高，并可進行長時期測試等。

(2) 實際使用和試驗測試結果表明，研制的伺服試驗機的測試原理正確，系統設計合理，可以實時測試軸承內部的動態摩擦力矩，實時顯示軸承內部摩擦力矩的動態變化曲線，便于用戶對軸承內部的動態摩擦力矩變化情況進行直觀和綜合分析。